ITGE940117A1 - Turbina a gas ad accensione indiretta. - Google Patents

Abstract

Ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un cielo a pila a combustibile, con l'aria scaricata dalla turbina a gas che è direttamente utilizzata al catodo della pila a combustibile per la reazione elettrochimica che si verifica nella pila a combustibile; i gas di riciclo caldi del catodo forniscono una sostanziale porzione del calore necessario per il riscaldamento indiretto dell'aria compressa usata nel ciclo a turbina a gas; un bruciatore separato fornisce. il bilanciamento del calore richiesto per il riscaldamento indiretto dell'aria compressa usata nel cielo a turbina a gas.

Description

DESCRIZIONE del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: "Turbina a gas ad accensione indiretta" appartenente a UNITED STATES DEPARTMENT OF ENERGY,

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda genericamente un ciclo di turbina a gas ad accensione indiretta combinato con un ciclo di pila a combustibile, ed in modo più importante una tale combinazione di cicli in cui il ciclo della pila a combustibile termina il ciclo della turbina a gas ad iniezione .indiretta. Questa invenzione è stata fatta con il sostegno del Governo degli Stati Uniti d'America secondo il contratto No. DE-AC05-84-OR21400 aggiudicato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti d'America. Il Governo degli Stati Uniti d'America gode di diritti stabiliti su questa invenzione .

Turbine a gas e pile a combustibile sono meccanismi ben noti per la produzione d.i energia elettrica. I cicli delle turbine a gas ed i cicli delle pile a combustibile sono stati ciascuno precedentemente terminati con cicli di turbine a vapore per la co-generazione di energia elettrica. Con cicli che impiegano una pila a combustibile, quale una pila a combustibile a carbonato fuso e terminanti con un ciclo a vapore i compressori sono normalmente usati per fornire una corrente di aria pressurizzata al catodo della pila a combustibile. Per aumentare la prestazione della pila a combustibile viene aggiunto diossido di carbonio alla corrente di aria con la risultante miscela che viene sottoposta ad una reazione elettrochimica con il combustibile introdotto all’anodo della pila a combustibile. Le pile a commbustibile producono energia elettrica e forniscono correnti di gas caldi per generare vapore per un ciclo a turbina a vapore di base che è accoppiato ad un adatto generatore elettrico.

Una variazione di un tale complesso di pila a combustibile e turbina a vapore usa una pila a combustibile terminante con una turbina a gas al posto del ciclo a turbina a vapore di modo che la residua energia termica nella corrente di scarico dei catodo può essere direttamente estratta nella turbina a gas per la produzione di energia elettrica. Un tale sistema è descritto nel brevetto del richiedente U.S.A. No. 4921765 di Gmeindl et al. che stato rilasciato 1 Maggio 1990 ed è qui incorporato come riferimento.

In un'altra variazione di cicli di turbina a gas e cicli di pila a combustibile, un ciclo di turbina a gas ad accensione diretta è combinato con un ciclo di pila a combustibile per produrre la corrente di gas caldo usata per azionare la turbina a gas e quindi fornire la generazione di energia elettrica sia nel ciclo di turbina a gas che nel ciclo di pila a combustibile.

Sebbene questi cicli combinati precedentemente noti che usano un ciclo di pila a combustibile terminante con un ciclo di turbina a gas o di turbina a gas ad accensione diretta con un ciclo di pila a combustibile per produrre i gas di azionamento della turbina siano in grado di provvedere alla co-generazione di energia elettrica, questi cicli così combinati non sono stati trovati particolarmente in grado di promuovere la conversione di energia ad elevate efficienze. La ragione primaria di questa bassa resa è che le pile a combustibile attualmente disponibili, quali le pile a combustibile a carbonato fuso come descritte nel brevetto del richiedente sopra citato, possono operare solo a pressioni fino alle circa sei atmosfere così che forniscono correnti di gas di azionamento della turbina a pressioni inferiori a quelle necessarie per l'efficiente funzionamento della turbina a gas.

Conseguentemente , è uno scopo od oggetto principale della presente invenzione fornire un ciclo di turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile per cui la turbina a gas può essere posta in funzione a pressioni ottimali per efficiente conversione di energia. In questo arrangiamento a ciclo combinato, la turbina a gas è azionata con aria riscaldata indirettamente ad una pressione appropriata per l'efficiente funzionamento della turbina a gas mentre l'aria calda scaricata dalla turbina a gas, che è ad una pressione considerevolmente più bassa di quella all'ingresso della turbina a gas, è direttamente utilizzata nel ciclo della pila a combustibile per la reazione elettrochimica. Nella presente invenzione la temperatura e la pressione dell'aria calda che è espulsa dalla turbina a gas possono essere facilmente regolate per combaciare essenzialmente con la temperatura e la pressione necessarie per il funzionamento efficiente del ciclo di pila a combustibile.

Generalmente, il ciclo o sistema a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile della presente invenzione comprende: mezzi compressori per fornire una corrente di aria compressa; mezzi di scambio termico indiretto collegati ai mezzi compressori per ricevere la corrente di aria compressa; mezzi per alimentare i mezzi di scambio termico con una corrente di gas riscaldati per riscaldare indirettamente la corrente di aria compressa; mezzi di turbina a gas collegati a mezzi di scambio termico per ricevere la corrente riscaldata di aria compressa per azionare i mezzi di turbina a gas; mezzi di pila a combustibile aventi mezzi di anodo e mezzi di catodo collegati ai mezzi di turbina a gas per ricevere la corrente di aria riscaldata scaricata da essi ai mezzidi catodi; mezzi accoppiati all'anodo per alimentare combustibile ad esso per effettuare nei mezzi di pila a combustibile una reazione elettrochimica con la corrente di aria scaldata per produrre una uscita elettrica mentre si genera una corrente di gas riscaldati ai mezzi di anodo ed una corrente di gas scaldati ai mezzi di catodo; e, mezzi di conduttura che accoppiano i mezzi di catodo ai mezzi di scambio termico per fornire almeno una porzione della corrente di gas scaldati alimentata ai mezzi di scambio termico per riscaldare indirettamente la corrente di aria compressa.

In una forma esecutiva preferita della presente invenzione i mezzi di camera di combustione sono collegati alla pila a combustibile per ricevere la corrente di gas scaldati da essa essendo questa corrente di gas scaldati primariamente fornita dai mezzi di anodo. Combustibile ed aria sono alimentati nei mezzi di camera di combustione da sorgenti esterne per produrre una corrente di prodotti di combustione comprendente la corrente di gas scaldati dai mezzi di anodo. I mezzi di camera di combustione sono collegati ai mezzi di scambio termico per cui la correntte di prodotti di combustione fornisce il bilanciamento della corrente di gas scaldati alimentati nei mezzi di scambio termico per riscaldare indirettamente la corrente di aria compressa alla desiderata temperatura di ingresso della turbina.

Una porzione della corrente di gas caldo dai mezzi di catodo può essere combinata in un adatto reattore catalitico con una corrente di gas caldi comprendenti valori di combustibile residuo da mezzi d.i anodo per la produzione di diossido di carbonio. Il diossido di carbonio nella corrente di scarico di gas caldi dal reattore catalitico è separato da questi gas in un adatto separatore e miscelato con corrente di aria calda dalla turbina a gas per uso nella pila a combustibile.

In una modificazione della forma esecutiva preferita della presente invenzione ulteriori mezzi di turbina a gas possono essere forniti per ricevere la corrente di gas riscaldati dai mezzi di catodo prima che questi gas siano introdotti nei mezzi di scambio termico usati per il riscaldamento indiretto della corrente di aria compressa.

Le correnti di gas riscaldati che sono scaricate dai mezzi di scambio sono preferibilmente utilizzate per la generazione di vapore usato in un ciclo di turbina a vapore ma possono essere usate per altri scopi che necessitano calore quali in un sistema di refrigerazione che utilizza un refrigerante ad assorbimento. Se desiderato, una parte della corrente di gas scaldati scaricati dai mezzi di catodo della pila a combustibile possono essere bypassati attorno ai mezzi di scambio termico per facilitare la generazione di vapore usato nel ciclo a turbina a vapore o per aumentare la temperatura dei gas usati nel refrigerante ad assorbimento .

Terminando i mezzi a pila a combustibile con un ciclo a turbina a vapore l'energia termica residua può essere estratta dai gas scaricati dallo scambiatore termico in un ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta risultante in sistema combinato che ci si attende fornisca una efficienza globale del ciclo circa dei 59% che rappresenta un significativo miglioramento oltre l'efficienza stimate del 55% per i sistemi combinati precedentemente noti in cui un ciclo a vapore ad efficienza relativamente bassa fa da base ad una pila combustibile o ad una turbina a gas ad iniezione diretta.

Inoltre, usando i gas caldi di scarico dalla pila a combustibile forniti dal catodo per il riscaldamento dell'aria compressa nello scambiatore termico del ciclo a turbina a gas, può essere fornito circa il 35-40% del calore richiesto per portare l'aria compressa all'ingresso ad una temperatura di funzionamento adatta alla turbina a gas nell'intervallo di circa da 1600°F (871.1°C) a 2600 0F (1426.7°C), preferibilmente 2300°F (1260°C). Questa sistemazione riduce considerevolmente la necessità di combustibile per riscaldare l'aria di scarico del compressore alla temperatura di ingresso desiderata della turbina a gas.

Impiegando i gas di scarico dall’anodo nella pila a combustibile nel bruciatore, la normale tendenza del bruciatore di fornire una produzione relativamente elevata di NOx è sostanzialmente ridotta. Essendo i gas di scarico dell'anodo essenzialmente formati di gas di reazione non combustibili una ridotta corrente di NOx è fornita ad una temperatura utile per il miscelamento con i gas di combustione prodotti nel bruciatore in modo da sostanzialmente ridurre la produzione di NOx nel bruciatore così come da contribuire al volume dei prodotti di combustione scaricati da bruciatore nello scambiatore termico del sistema a turbina a gas .

Molte limitazioni strutturali sono superate usando un ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile rispetto ad un ciclo a pila a combustibile terminante con un ciclo a turbina a vapore. Per esempio, con il ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila combustibile la turbina a gas fornisce flessibilità nel muovere il calore disponibile nel ciclo Brayton più efficiente ed uno scambiatore termico separato non è richiesto per riscaldare l'aria usata nella pila a combustibile.

Altri ed ulteriori oggetti della presente invenzione diventeranno ovvi dalla comprensione della forma esecutiva illustrativa e modifiche della stessa che sarà descritta o sarà indicata nelle rivendicazioni allegate, e diversi vantaggi non qui riferiti appariranno ad un esperto del ramo all'impiego dell'invenzione in pratica.

La figura 1 è un diagramma schematico che illustra dettagli del ciclo combinato a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile della presente invenzione.

Una forma esecutiva preferita dell'invenzione e modifiche della stessa sono state scelte per lo scopo di illustrazione e descrizione. La forma esecutiva preferita e le modificazioni illustrate nell'unica figura non devono essere considerate nè esaustive nnè limitanti l'invenzione alle precise forme mostrate. La forma esecutiva preferita e le forme esecutive illustrative sono scelte e descritte in modo da spiegare al meglio i principi dell'invenzione e la loro applicazione ed uso pratico allo scopo di consentire ad altri esperti del ramo di utilizzare al meglio l'invenzione in diverse forme esecutive e modifiche in modo che siano adattati al meglio all'uso particolare contemplato .

La pila a combustibile usata nel ciclo a turbina a gas combinato al ciclo a pila a combustibile della presente invenzione nella descrizione seguente è descritta come una pila combustibile a carbonato fuso, poiché le pile a combustibile a carbonato fuso sono state adeguatamente sviluppate per l'uso in situazioni di ciclo combinato della presente invenzione. Generalmente, una pila a combustibile a carbonato fuso ha un anodo di nichel poroso o simili separato da un catodo di ossido di nicle poroso o simili da un elettrolita formato da un carbonato di metallo alcalino e misture di esso con un adatto materiale quale LiAlO^. Con l'elettrolita riscaldato ad uno stato fuso un combustibile quale idrogeno, gas combustibile o gas naturale ammesso all’anodo subisce una reazione elettrochimica che produce elettricità con ossigeno e diossido di carbonio ammessi al catodo. Questa reazione elettrochimica produce anche correnti calde di gas di reazione all'anodo ed al catodo. Una descrizione dettagliata delle pile a combustibile a carbonato fuso è esposto nel sopra citato brevetto del richiedente. Mentre il ciclo a pila a combustibile utilizzato nella presente invenzione è preferibilmente una pila a combustibile a carbonato fuso, risulterà chiaro che altri tipi di pila a combustibile quali una convenzionale pila a combustile ad ossido solido possono essere facilmente impiegati.

Come sopra brevemente descritto, la presente invenzione è rivolta ad ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile per fornire un assetto a ciclo combinato in cui lo scarico della turbina a gas è vantaggiosamente fornito ad una temperatura di funzionamento della pila a combustibile nell'intervallo di da circa 1000° a 2000°F (da 537.8° a 1093.3°C), preferibilmente circa 1050°F (565.6°C) per le pile a combustibile a carbonato fuso e circa 1800°F (982.2°C) per le pile a combustibile ad ossido solido. Questa corrente di scarico dalla turbina a gas può essere direttamente utilizzata nel catodo di una pila combustibile per sottostare ad una reazione elettrochimica con un adatto combustibile introdotto all'anodo della pila a combustibile. La pila a combustibile, a sua volta, produce energia elettrica ed una corrente di gas di scarico caldi all'anodo ed al catodo con il catodo caldo o corrente di riciclo al catodo, che è ad una temperatura nell'intervallo da circa 1000° a 2000°F (537.8° a 1093.3°C), essendo usata nello scambiatore termico del ciclo a turbina a gas per fornire una significativa percentuale del calore totale necessario per riscaldare .indirettamente la corrente di aria compressa alla temperatura di ingresso desiderata della turbina a gas. La corrente di scarico di combustibile caldo dell'anodo è vantaggiosamente usata in un bruciatore ad aria-combustibile per ridurre la necessità di combustibile del bruciatore per produrre una corrente di prodotti di combustione caldi alla temperatura richiesta per riscaldare indirettamente la corrente di aria compressa alla temperatura desiderata di ingresso della turbina. Il miscelamento dei gas anodici con i prodotti di combustione prodotti nel bruciatore riduce anche notevolmente le emissioni di NOx nella corrente di gas caldo scaricata dal bruciatore.

La corrente di gas scaricati dallo scambiatore termico della turbina a gas ha sufficiente energia termica residua per la produzione di vapore, specialmente quando combinata con una porzione della corrente di riciclo del catodo caldo, per l'uso in un ciclo a turbina a vapore.

Come descritto più specificamente e con riferimento ai disegni allegati, la sistemazione in ciclo combinato della presente invenzione come mostrato in 10 comprende un ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta 12 ed un ciclo a pila a combustibile 13 che fa da base al ciclo a turbina a gas 12. La pila a combustibile 14 nel ciclo a pila a combustibile 13 è una pila a combustibile a carbonato fuso del tipo descritto nel brevetto sopra citato del richiedente. Tuttavia, come rimarcato in precedenza va inteso che questa pila a combustibile può essere un altro tipo di pila a combustibile quale una pila a combustibile ad ossido solido dato che ci si attende che le efficienze di ciclo ottenute usando una pila a combustibile ad ossido solido nel ciclo combinato della presente invenzione forniranno un'efficienza di sistema sostanzialmente simile a quella fornita utilizzando una pila a combustibile a carbonato fuso .

Il ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta 12 è provvisto di un compressore 16 di qualunque tipo adatto in grado di ricevere corrente di aria 18 al suo ingresso e di comprimere questa corrente nell'intervallo da 5 a 30 atmosfere e ad una temperatura nell'intervallo da 300° ad 800°F (148.9° a 426. 7°C). Questa corrente di aria compressa è passata attraverso il condotto 20 nello scambiatore termico 22 dove la corrente di aria compressa è scaldata indirettamente da correnti di gas caldi combinate come sarà in seguito descritto ad una adatta temperatura di ingresso della turbina a gas nell'intervallo di circa 1600° a 2600°F (871.1° a 1426.7°C), preferibilmente circa 2300°F (1260°C). Lo scambiatore termico 22 può essere di qualunque tipo adatto in grado di riscaldare l'aria compressa al desiderato intervallo di temperatura. Preferibilmente, lo scambiatore termico 22 è formato di metallo per alte temperature e/o materiale ceramico a causa delle necessità temperature realitvamente alte del ciclo a turbina a gas. La corrente di aria calda compressa scaricata dallo scambiatore termico 22 è convogliata attraverso un condotto 24 ad una turbina a gas 26 per azionare quest'ultima. Come mostrato, la turbina a gas 26 è accoppiata con un generatore elettrico 28 ed al compressore 16 tramite l'asse di azionamento 30. Tuttavia, risulterà chiaro che il compressore 16 può essere azionato da una sorgente di energia indipendente dalla turbina a gas 26.

Il catodo 32 della pila a combustibile 14 è accoppiato all'uscita della turbina a gas 26 tramite un condotto 34 per ricevere direttamente al catodo 32 la corrente d'aria calda scaricata dalla turbina a gas 26. Questo scarico della turbina è ad una temperatura nell'intervallo tra i 600° ed i 1300°F (tra i 315.6° ed i 704.4°C), preferibilmente 1050°F (565.6°C), che è sufficiente per effettuare la reazione elettrochimica desiderata nella pila a combustibile. Questa temperatura dello scarico della turbina può essere facilmente regolata a qualunque temperatura in questo intervallo controllando la quantità di riscaldamento della corrente di aria compressa che ha luogo nello scambiatore termico 22. Poiché le pile a combustibile a carbonato fuso possono funzionare ad una pressione nell'intervallo da circa pressione atmosferica fino a circa sei atmosfere, lo scarico d'aria calda dalla turbina a gas 26 è preferibilmente ad una pressione che può vantaggiosamente essere utilizzata nel funzionamento del ciclo a pila a combustibile 13. La pressione della corrente di scarico della turbina a gas può essere facilmente controllata nel predetto intervallo selezionando la pressione di uscita del compressore ed il volume e/o controllando la caduta di pressione attraverso la tubina a gas. Le pressioni alte in questo intervalli per lo scarico della turbina possono essere vantaggiose se si desidera usare la corrente di riciclo catodico per azionare una turbine a gas a bassa pressione nella corrente di riciclo a turbina a gas come sarà in seguito descritto .

Quando l'aria calda dallo scarico della turbina entra nel catodo 32 della pila a combustibile 14, un combustibile gassoso quale gas combustibile o gas naturale è contemporaneamente convogliato nell'anodo 36 della pila a combustibile 13 attraverso un condotto 37. Questo combustibile gassoso è preferibilmente preriscaldato ad una temperatura generalmente corrispondente a quella della corrente d'aria liberata al catoso per assicurare la liquefazione dell'elettrolita carbonato e quindi facilitare la continuazione della reazione elettrochimica nella pila a combustibile 14. Tale preriscaldamento di questo combustibile può essere facilmente ottenuto impiegando un semplice scambiatore di calore 38 essendo il calore ad esso convenientemente fornito dalla corrente di scarico del catodo. Con le correnti riscaldate di combustibile ed aria riversate nella pila a combustibile 14, la reazione elettrochimica procede come descritto nel brevetto del richiedente sopra citato per generare energia elettrica come genericamente mostrato in 39 al contempo producendo i gas di reazione formati primariamente da diossido di carbonio (COg) e vapore all'anodo 36 e da COg riciclato, acqua ed aria viziata al catodo 32. Come mostrato, una porzione della corrente di scarico dell'anodo è riciclata all'ingresso del combustibile dell'anodo attraverso il condotto 40 in modo da estrarre il combustibile residuo dalla corrente di scarico dell’anodo .

Mentre la reazione elettrochimica nella pila a combustibile 14 può essere iniziata e sostenuta usando le normali concentrazioni di COg nell'aria il funzionamento ad efficienze più alte può essere ottenuto miscelando CO^ con la corrente di scarico della turbina o con l'aria all’ingresso del compressore 16 e quindi assicurando che una adeguata concentrazione di CO^ esiste al catodo 32 per effettuare con efficienza la reazione elettrochimica. Questa corrente di CO^ può essere fornita da ogni sorgente adatta. per esempio, un convertitore del combustibile residuo quale un reattore catalitico mostrato in 41 può essere usato per produrre CO^ facendo reagire reagenti gassosi nelle correnti di gas di anodo e catodo comprendenti valori di combustibile residuo nella corrente di scarico dell'anodo in presenza di un adatto catalizzatore quale un catalizzatore nichel-platino. A tale scopo ì gas scaricati dall'anodo 36 sono passati attraverso un condotto 42 in un reattore catalitico 41 in cui essi sono miscelati con una porzione dei gas di riciclo dal catodo 32 che sono convogliati al reattore 41 attraverso il condotto 43. I gas caldi risultanti dalla reazione catalitica comprendenti CO^ sono scaricati dal reattore 41 e convogliati in un separatore di CO^ 44 attraverso un condotto 45 per la separazione del CO^ dalla corrente dei gas di reazione. Questa separazione del CO^ può essere ottenuta in qualunque modo adatto quale usando una membrana ceramica selettivamente permeabile a CO^. La corrente di CO separato dalla corrente di scarico del reattore può essere miscelata con la corrente d'aria del catodo collegando il separatore di CO^ al condotto 34 con il condotto 46. Se è necessario CO^ aggiuntivo per la reazione elettrochimica durante l'avviamento della pila a combustibile o durante il funzionamento della pila a combustibile, quantità scelte di CO^ da ogni sorgente adatta (non illustrata) possono essere aggiunte all'alimentazione di aria del catodo attraverso la linea 47 mostrata accoppiata alla linea 46.

Come mostrato nella figura, i gas di scarico di anodo e catodo, che sono in un intervallo di temperatura di da circa 1000° a 1300°F (537.8° a 704.4°C), comunemente 150°-200°F (65.6°-93.3°C) più alta della temperatura dell'aria e del combustibile riversati nella pila a combustibile 14, sono scaricati dalla pila a combustibile 14 attraverso il condotto 42 dell'anodo 36 ed il condotto 48 del catodo 32. Il condotto di scarico del catodo 48 è accoppiato allo scambiatore termico 22 così che questo gas di scarico ad alta temperatura o gas di riciclo del catodo fornito al catodo 32, tranne che per la porzione di esso usata nel reattore catalitico 41 con la corrente di scarico dell'anodo per la produzione di C02, può essere vantaggiosamente utilizzato nello scambiatore termico 22 per alimentare una percentuale sostanziale di richieste di calore necessitate per il riscaldamento indiretto della corrente di aria compressa ad una temperatura nell'intervallo di circa 1600°-2600°F (871.10-1426.7°C). Per esempio, con una temperatura di circa 2300°F (1260°C) per l'aria compressa all'ingresso della turbina, la corrente di scarico del catodo può fornire circa il 35-40% del calore richiesto per riscaldare la corrente di aria compressa a questa temperatura.

L'equilibrio di richieste di calore dello scambiatore termico 22 per riscaldare indirettamente la corrente di aria compressa alla temperatura scelta di ingresso della turbina è fornito da una corrente di prodotti di combustione caldi genreati in una camera di combustione o bruciatore 50 e convogliato allo scambiatore termico 22 attraverso un condotto 51. Un adatto combustibile quale biomassa, carbone, torba, gas combustibile, gas naturale, o simili da una adatta sorgente (non mostrata) è convogliato nel bruciatore 50 attraverso il condotto 52 dove in combustibile è bruciato in presenza di aria rilasciata da una adatta sorgente (non mostrata) nel bruciatore 50 attraverso un condotto 54. Le linee del combustibile e e dell’aria 52 e 54 sono preferibilmente preriscaldate prima di essere introdotte nel bruciatore 50 per promuovere la reazione di combustione esotermica che si verifica nel bruciatore 50. Questo preriscaldamento del combustibile e dell'aria può essere facilmente ottenuto in uno scambiatore termico indiretto 56 che ricopre lunghezze scelte delle linee di combustibile ed aria 52 e 54 passando una porzione di gas caldi dal separatore di C0^ 44 che sono stati convogliati lungo la linea 57 accoppiata tra il separatore di CO^ in un condotto 58 accoppiato con lo scambiatore termico 56. Se desiderato questo riscaldamento del combustibile e dell'aria usati nel bruciatore può essere aumentato od interamente fornito passando una porzione dei gas di scarico della turbina a gas attraverso lo scambiatore 56 prima che siano introdotti nel catodo 32.

Secondo la presente invenzione le richieste di combustibile del bruciatore 50 per fornire una corrente di prodotti gassosi di combustione ad una sufficiente temperatura di 2000°-2800°F (1093.3°-1537.8°C), preferibilmente circa 2600°F (1426.7°C), per riscaldare indirettamente l'aria compressa ad una temperatura nell'intervallo di circa 1600°-2600°F (871.1°-1426.7°C), preferibilmente 2300°F (1260°C), nello scambiatore termico 22 sono sostanzialmente ridotte usando la corrente di scarico del catodo nello scambiatore termico 22. Queste richieste di combustibile sono anche inoltre ridotte utilizzando la corrente calda dei gas di scarico convogliati nel bruciatore 50 attraverso il condotto 57 per aggiungere calore ai gas di combustione ed aumentare il volume di gas scaldati prodotti nel bruciatore 50 così come significativamente ridurre il volume di NOx presenti nella corrente di gas scaricati dal bruciatore 50. Inoltre, i gas di scarico della pila a combustibile nella linea 58 che sono usati per preriscaldare il combustibile e l'aria nello scambiatore termico 56 possono essere convogliati nel bruciatore 50 per ridurre ulteriormente il volume di NOx. Alternativamente, la corrente di gas che esce dallo scambiatore termico 56 può essere scaricata nell'atmosfera.

Dopo l'utilizzazione delle correnti di gas caldi fornite dal catodo 32 e dal bruciatore 50 nello scambiatore termico 22 per riscaldare la corrente di aria compressa, questi gas quando scaricati dallo scambiatore termico 22 possono essere scaricati nell'atmosfera o parzialmente riciclati nel bruciatore. Tuttavia questi gas di scarico sono preferibilmente passati attraverso la linea 60 in una caldaia 62 o simili di un ciclo a turbina a vapore 63 per estrarre l'energia termica residua da questi gas producendo vapore per l'uso in una turbina a vapore 64 per la generazione di energia elettrica con un generatore 66.

In una modificazione della presente invenzione, i gas scaricati dallo scambiatore termico 22 sono usati come sorgente di calore in un sistema di refrigerazione 67 che usa un refrigerante ad assorbimento .

Usando il ciclo a turbina a gas a riscaldamento indiretto 12 in combinazione con il ciclo a pila a combustibile 13 ed il ciclo a turbina a vapore 63, come sopra descritto, le risultanti tre sorgenti di generazione di energia elettrica forniscono un aumento dell'efficienza generale del ciclo di circa il 6% sopra un ciclo a pila a combustibile terminante con un ciclo a turbina a vapore o con un ciclo a turbina a gas a risealdeimento diretto che impiega un ciclo a pila a combustibile.

In un'altra modificazione della presente invenzione e con la pila combustibile 14 che funziona ad una pressione maggiore della pressione atmosferica quale nell'ordine di circa da due a cinque atmosfere, la corrente di scarico del catodo sarà ad una pressione adeguata per azionare una turbina a bassa pressione in condizioni pressurizzate. Come mostrato nella figura, una turbina a bassa pressione 68 con un generatore elettrico 70 collegata mediante un condotto 72 alla linea di scarico del catodo 48 per ricevere una porzione di tutta la corrente di scarico del catodo. I gas di scarico dalla turbina 68 sono preferibilmente ritornati al condotto 48 attraverso un condotto 74 per scopi di riscaldamento dell'aria nello scambiatore termico 22 come sopra descritto. Sicuramente , usando una tale turbina a gas a bassa pressione la temperatura della corrente di scarico del catodo sarà ridotta ad una temperatura inferiore a quella fornita allo scarico del catodo in modo da richiedere che il bruciatore 50 fornisca una maggiore percentuale di richieste di calore dello scambiatore termico 22.

La temperatura dei gas di scarico dallo scambiatore termico 22 del ciclo di turbina a gas 12 tende ad essere inferiore a circa 1000°F (537.8°C), causando così una bassa qualità ed efficienza inferiore del ciclo di base a vapore. Tuttavia, la deviazione di una porzione dello scarico della pila a combustibile che è circa a 1300°-1500°F (704.4°-815.6°C) a questa corrente di scarico di scambiatore termico può significativamente aumentare la prestazione del ciclo a vapore. Questa modificazione della presente invenzione è mostrata in figura, dove una porzione dei gas di scarico caldi del catodo sono bypassati attorno allo scambiatore termico 22 attraverso un condotto 76 e quindi combinati con i gas scaricati dallo scambiatore termico 22 per l'uso nella caldaia 62. Bypassando così una porzione di gas caldi del catodi attorno allo scambiatore termico, la generazione efficiente di vapore nella caldaia 62 può essere effettuata senza necessitare che il bruciatore fornisca gas ad una temperatura più alta di quella che può essere vantaggiosamente utilizzata nello scambiatore termico 22.

Si vedrà che il ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta basato sul ciclo a piala combustibile e che impiega inoltre un ciclo a turbina a vapore fornisce insieme un significativo miglioramento nella tecnologia dei cicli combinati che opera ad una efficienza relativamente elevata se paragonata ai cicli conbinati precedentemente noti quali descritti in precedenza. In tal modo, basando il ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta su di una pila a combustibili con una pila a combustibile quest'ultima è fornita di una sorgente di aria a desiderati volume e pressione e preriscaldata alla temperatura desiderata per le reazioni elettrochimiche che si verificano nella pila a combustibile in modo da ovviare all'uso di compressore d'aria separati e riscaldatori d'aria come precedentemente richiesto nel funzionamento di pila a combustibile.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile comprendente in combinazione mezzi compressori per fornire una corrente di aria compressa; mezzi di scambio termico indiretto collegati ai mezzi compressori per ricevere la corrente di aria compressa; mezzi per alimentare i mezzi di scambio termico con una corrente di gas riscaldati per riscaldare indirettamente la corrente di aria compressa; mezzi di turbina a gas collegati a mezzi di scambio termico per ricevere la corrente riscaldata di aria compressa per azionare i mezzi di turbina a gas; mezzi di pila a combustibile aventi mezzi di anodo e mezzi di catodo collegati ai mezzi di turbina a gas per ricevere la corrente di aria riscaldata scaricata da essi ai mezzidi catodi; mezzi accoppiati all'anodo per alimentarecombustibile ad esso per effettuare nei mezzi di pila a combustibile una reazione elettrochimica con la corrente di aria scaldata per produrre una uscita elettrica mentre si genera una corrente di gas riscaldati ai mezzi di anodo ed una corrente di gas scaldati ai mezzi di catodo e, mezzi di conduttura che accoppiano i mezzi di catodo ai mezzi di scambio termico per fornire almeno una porzione della corrente di gas scaldati alimentata ai mezzi di scambio termico per riscaldare indirettamente la corrente di aria compressa.
2. 2. Ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile come rivendicato in rivendicazione 1, in cui i mezzi di pila combustibile sono una pila a carbonato fuso od una pila combustibile ad ossido solido .
3. 3. Ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile come rivendicato in rivendicazione 1 , in cui ulteriori mezzi di turbina a gas sono adattati a ricevere almeno una porzione della corrente di gas scaldati dai mezzi di catodo prima dell'introduzione di essa in detti mezzi di scambio termico.
4. 4. Ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile come rivendicato in rivendicazione 1, in cui i mezzi di camera di combustione sono collegati ad almeno uno di detti mezzi di anodo e detti mezzi di catodo per ricevere i gas riscaldati da essi, in cui sono forniti mezzi per convogliare combustibile ed aria nei mezzi di camera di combustione per produrre una corrente di prodotti di combustione comprendenti i gas scaldati da detto almeno uno di mezzi di anodo e mezzi di catodo, ed in cui i mezzi di camera di combustione sono collegati a detti mezzi di scambio termico per convogliare in essi l'equilibrio della corrente di gas scaldati alimentata ai mezzi di scambio termico per riscaldare indirettamente la corrente di aria compressa.
5. 5. Ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile come rivendicato in rivendicazione 4, in cui i mezzi di pila a combustibile sono una pila a combustibile a carbonato fuso, in cui 1 gas scaldati da detti mezzi di anodo comprendono valori residui di combustibile, in cui mezzi di reattore catalitico per la produzione di CO^ sono accoppiati ai mezzi di anodo per ricevere i gas scaldati da essi, in cui i mezzi di conduttura che accoppiano i mezzi di catodo ai mezzi di scambio termico sono accoppiati a detti mezzi di reattore per convogliare una porzione di gas scaldati dai mezzi di catodo a detti mezzidi reattore, in cui i mezzi di separazione di diossido di carbonio sono accoppiati a detti mezzi di reattore per ricevere e separare il diossido di carbonio da una corrente di gas scaldati da essi scaricati, ed in cui i mezzi di separazione di gas sono collegati ai mezzi di conduttura che collegano i mezzi di turbina a gas ai mezzi di pila a combustibile per introdurre una corrente di diossido di carbonio nella corrente di aria scaldata convogliata nei mezzi di catodo.
6. 6. Ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile come rivendicato in rivendicazione 4, comprendente un ciclo a turbina a vapore comprendente mezzi di generazione del vapore e mezzi di turbina a vapore, in cui un condotto collega i mezzi di generazione del vapore ai mezzi di scambio termico per ricevere da essi una corrente di gas scaldati scaricata dai mezzi di scambio termico dopo il riscaldamento della corrente di aria compressa, ed in cui i mezzi di turbina a vapore sono accoppiati a detti mezzi di generazione del vapore per ricevere una corrente di vapore da essi.
7. 7. Ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile come rivendicato in rivendicazione 6, in cui mezzi di conduttura collegano i mezzi di catodo ai mezzi di generazione del vapore per deviare dai mezzi di scambio termici una porzione di corrente di gas scaldati dai mezzi di catodo e miscelare la porzione deviata con la corrente di gas scaldati scaricata dai mezzi di scambio termico.
8. 8. Ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile come rivendicato in rivendicazione 4, in cui ulteriori mezzi di scambio termico sono accoppiati a detti mezzi per convogliare combustibile ed aria nei mezzi di camera di combustione , ed in cui mezzi di conduttura sono accoppiati a detti mezzi di pila a combustibile per convogliare almeno una porzione di gas scaldati dai mezzi di pila a combustibile attraverso detti ulteriori mezzi di scambio termico per riscaldare il combustibile e l'aria convogliati nei mezzi di camera di combustione.
9. 9. Ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile come rivendicato in rivendicazione 4, in cui mezzi di refrigerazione aventi un refrigerante ad assorbimento sono accoppiati a detti mezzi di scambio termico per ricevere da essi una corrente di gas contenenti valori residui di calore.
10. 10. Ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile come rivendicato in rivendicazione 4, in cui detti mezzi di scambio termico sono uno scambiatore termico comprendente almeno uno tra un un metallo ed un materiale ceramico.
11. 11. Ciclo a turbina a gas ad accensione indiretta terminante con un ciclo a pila a combustibile come rivendicato in rivendicazione 4, in cui la corrente di aria compressa è scaldata indirettamente in detti mezzi di scambio termico ad una temperatura nell'intervallo di circa 1600°-2600°F (871 .1°-1426 .7°C), in cui la corrente di aria scaldata scaricata dai mezzi di turbina a gas è ad una temperatura nell'intervallo di circa 600°-1300°F (315.6°-704 .4°C), in cui la corrente di gas scaldati ai mezzi di catodo è ad una temperatura nell'intervallo di circa 1000°-2000°F (537 .8°-1093 .3°C) ed in cui la corrente di prodotti di combustione è ad una temperatura nell'intervallo di circa 20000-28000F (1093.3°-1537 .8°C).